KR102372569B1 - Systems and methods for implementing electrically tunable metasurfaces - Google Patents

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Abstract

발명의 실시예에 따른 시스템 및 방법은 전기적 튜닝가능 메타표면을 구현한다. 일 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이는 미러링된 표면과, 전도층과, 유전층 - 상기 전도층 및 유전층은 직접 접촉하여, 전도체-유전체 계면을 형성함 - 과, 복수의 서브파장 안테나 요소와, 적어도 하나의 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간에 전위차를 구축하도록 구성되는 전력원을 포함하되, 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간의 전위차는 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 대응 영역에 전기장을 인가하고, 상기 유전층, 전도층, 및 서브파장 안테나 요소들 각각의 기하구조 및 물질 조성과 연계하여 가해지는 전기장에 의해, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이가, 입사 전자기파의 전파 특성을 측정가능하게 증강시킬 수 있다. Systems and methods according to embodiments of the invention implement electrically tunable metasurfaces. In one embodiment, an electrically tunable metasurface reflectarray comprises a mirrored surface, a conductive layer, a dielectric layer, wherein the conductive layer and the dielectric layer are in direct contact to form a conductor-dielectric interface, and a plurality of subwavelength antennas; an element and a power source configured to establish a potential difference between the at least one subwavelength antenna element and the mirrored surface, wherein the potential difference between the subwavelength antenna element and the mirrored surface corresponds to an electrically tunable metasurface reflectarray By applying an electric field to the region and the applied electric field in association with the geometry and material composition of each of the dielectric layer, the conductive layer, and the subwavelength antenna elements, the electrically tunable metasurface reflectarray produces the propagation characteristics of the incident electromagnetic wave. can be measurably enhanced.

Description

전기적 튜닝가능 메타표면 구현 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR IMPLEMENTING ELECTRICALLY TUNABLE METASURFACES}SYSTEMS AND METHODS FOR IMPLEMENTING ELECTRICALLY TUNABLE METASURFACES

관련 출원의 상호 참조Cross-referencing of related applications

본 출원은 2014년 3월 6일 출원된 미국특허가출원 제61/948,810호에 기초한 우선권을 주장하며, 그 내용 전체는 본 발명에 포함된다. This application claims priority based on U.S. Provisional Patent Application No. 61/948,810 filed on March 6, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

연방 자금지원서Federal funding application

본 발명은 공군에서 결정된 FA9550-12-1-0488 및 FA9550-12-1-0024 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 가진다. This invention was made with government support under FA9550-12-1-0488 and FA9550-12-1-0024 as determined by the Air Force. The government has certain rights in this invention.

발명의 분야field of invention

본 발명은 일반적으로, 전기적으로 튜닝가능한 메타표면의 구현에 관한 것이다. The present invention relates generally to the implementation of electrically tunable metasurfaces.

메타물질은 일반적으로, 파동의 파장보다 짧은 수준의 특성 길이를 가진 구조적 요소들의 반복 패턴을 특징으로 하는 인공 합성 물질을 의미한다. 예를 들어, '포토닉 메타물질'('광학 메타물질'로도 알려져 있음) - 가시광의 전파를 제어하는 기능을 함 - 은 나노미터 수준의 특성 길이를 가진 구조적 요소들을 포함하며, 이에 반해 가시광의 파장은 수백 나노미터 수준이다. 직관에 크게 반하지만 실용적인 광학적 특성을 가진 이러한 물질의 개발에 많은 연구가 진행되었고, 예를 들어, 음의 굴절률을 가진 메타물질이 개발되어 많은 연구의 주제가 되고 있다. A metamaterial generally refers to an artificial synthetic material characterized by a repeating pattern of structural elements having a characteristic length of a level shorter than the wavelength of a wave. For example, 'photonic metamaterials' (also known as 'optical metamaterials') - which function to control the propagation of visible light - contain structural elements with characteristic lengths on the order of nanometers, whereas Wavelengths are on the order of several hundred nanometers. A lot of research has been conducted on the development of these materials with practical optical properties, although it is against intuition. For example, metamaterials with a negative refractive index have been developed and are the subject of many studies.

'메타표면'은 서브파장 구조물의 반복 패턴을 특징으로 하는 한 2차원 메타물질로 간주될 수 있고, 메타물질과 동일한 장점들 다수를 제공할 수 있다. 게다가, 메타표면은 많은 경우에 메타물질에 비해 더 유리할 수 있다. 예를 들어, 메타표면은 메타물질에 비해 더 효율적으로 광을 투과하도록 만들어질 수 있다. A 'metasurface' can be considered a two-dimensional metamaterial as long as it is characterized by a repeating pattern of sub-wavelength structures, and can offer many of the same advantages as a metamaterial. Furthermore, metasurfaces can be advantageous over metamaterials in many cases. For example, metasurfaces can be made to transmit light more efficiently than metamaterials.

발명의 실시예에 따른 시스템 및 방법은 전기적 튜닝가능 메타표면을 구현한다. 일 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이는 미러링된 표면과, 전도층과, 유전층 - 상기 전도층 및 유전층은 직접 접촉하여, 전도체-유전체 계면을 형성함 - 과, 복수의 서브파장 안테나 요소와, 적어도 하나의 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간에 전위차를 구축하도록 구성되는 전력원을 포함하되, 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간의 전위차는 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 대응 영역에 전기장을 인가하고, 상기 유전층, 전도층, 및 서브파장 안테나 요소들 각각의 기하구조 및 물질 조성과 연계하여 가해지는 전기장에 의해, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이가, 입사 전자기파의 전파 특성을 측정가능하게 증강시킬 수 있다. Systems and methods according to embodiments of the invention implement electrically tunable metasurfaces. In one embodiment, an electrically tunable metasurface reflectarray comprises a mirrored surface, a conductive layer, a dielectric layer, wherein the conductive layer and the dielectric layer are in direct contact to form a conductor-dielectric interface, and a plurality of subwavelength antennas; an element and a power source configured to establish a potential difference between the at least one subwavelength antenna element and the mirrored surface, wherein the potential difference between the subwavelength antenna element and the mirrored surface corresponds to an electrically tunable metasurface reflectarray By applying an electric field to the region and the applied electric field in association with the geometry and material composition of each of the dielectric layer, the conductive layer, and the subwavelength antenna elements, the electrically tunable metasurface reflectarray produces the propagation characteristics of the incident electromagnetic wave. can be measurably enhanced.

다른 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면은, 적어도 하나의 다른 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간에 제 2 전위차를 구축하도록 구성되는 제 2 전력원을 더 포함한다. In another embodiment, the electrically tunable metasurface further comprises a second power source configured to establish a second potential difference between the mirrored surface and the at least one other subwavelength antenna element.

또 다른 실시예에서, 상기 전력원은 복수의 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간에 복수의 전위차를 구축하도록 구성된다. In another embodiment, the power source is configured to establish a plurality of potential differences between the plurality of subwavelength antenna elements and the mirrored surface.

또 다른 실시예에서, 유전층, 전도층, 및 서브파장 안테나 요소들 각각의 기하구조 및 물질 조성과 연계하여 가해지는 전기장에 의해, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이가, 10 ㎛ 미만 파장을 특징으로 하는 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 포함되는 입사 전자기파의 전파 특성을 측정가능하게 증강시킬 수 있다. In yet another embodiment, an electrically tunable metasurface reflectarray characterized by wavelengths less than 10 μm by an electric field applied in connection with the geometry and material composition of each of the dielectric layer, the conductive layer, and the subwavelength antenna elements. propagation characteristics of an incident electromagnetic wave included within at least a portion of the electromagnetic spectrum may be measurably enhanced.

또 다른 실시예에서, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 근적외선 전자기파의 파장과 대략 대응하는 파장보다 짧거나 같은 파장을 가진 전자기파를 특징으로 한다. In yet another embodiment, at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength that is less than or equal to a wavelength approximately corresponding to a wavelength of the near-infrared electromagnetic wave.

추가의 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면의 일 영역이 전기장에 노출될 때, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 포함되는, 반사된 입사 전자기파가, 인가된 전기장의 크기에 기초하여 위상 변이를 나타낸다. In a further embodiment, when a region of an electrically tunable metasurface is exposed to an electric field, an incident reflected electromagnetic wave comprised within at least a portion of the electromagnetic spectrum exhibits a phase shift based on the magnitude of the applied electric field.

또 다른 실시예에서, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 근적외선 전자기파의 파장과 대략 대응하는 파장을 가진 전자기파를 특징으로 한다. In yet another embodiment, at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by an electromagnetic wave having a wavelength approximately corresponding to a wavelength of a near-infrared electromagnetic wave.

또 다른 실시예에서, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 가시광의 파장과 대략 대응하는 파장보다 짧거나 같은 파장을 가진 전자기파를 특징으로 한다. In yet another embodiment, at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength that is less than or equal to a wavelength approximately corresponding to a wavelength of visible light.

또 다른 실시예에서, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 가시광의 파장과 대략 대응하는 파장을 가진 전자기파를 특징으로 한다. In yet another embodiment, at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength approximately corresponding to a wavelength of visible light.

다른 실시예에서, 전도층은 나이트라이드-계 물질, 은, 구리, 골드, 알루미늄, 알칼리 금속, 합금, 투명 전도 합금, 및 그래핀 중 하나를 포함한다. In another embodiment, the conductive layer comprises one of a nitride-based material, silver, copper, gold, aluminum, an alkali metal, an alloy, a transparent conductive alloy, and graphene.

또 다른 실시예에서, 상기 전도층은 인듐 틴 옥사이드를 포함한다. In another embodiment, the conductive layer comprises indium tin oxide.

또 다른 실시예에서, 유전층은 유전 옥사이드(dielectric oxide)를 포함한다. In another embodiment, the dielectric layer comprises a dielectric oxide.

또 다른 실시예에서, 유전층은 알루미늄 옥사이드를 포함한다. In another embodiment, the dielectric layer comprises aluminum oxide.

추가의 실시예에서, 상기 미러링된 표면이 골드를 포함하고, 상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 골드를 포함한다. In a further embodiment, the mirrored surface comprises gold and at least one of the plurality of subwavelength antenna elements comprises gold.

또 다른 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 일 영역이 전기장에 노출될 때, 상기 영역 내의 전도체-유전체 계면에서의 전하 운반체 농도가 인가되는 전기장 크기에 기초하여 변경되고, 상기 변경에 의해 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 있는, 반사된 입사 전자기파의 위상 변이가 나타난다. In another embodiment, when a region of an electrically tunable metasurface reflectarray is exposed to an electric field, the charge carrier concentration at the conductor-dielectric interface in the region is altered based on the magnitude of the applied electric field, wherein the change a phase shift of the reflected incident electromagnetic wave, which is within at least a portion of the electromagnetic spectrum by

또 다른 실시예에서, 1x1019cm-3 로부터 1x1021cm-3 까지 전하 운반체 농도 변화가, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 있는, 반사된 입사 전자기파의 위상을 적어도 2π만큼 변이시키기에 충분하다. In another embodiment, a change in charge carrier concentration from 1x10 19 cm -3 to 1x10 21 cm -3 is sufficient to shift the phase of an incident reflected electromagnetic wave that is within at least a portion of the electromagnetic spectrum by at least 2π.

또 다른 실시예에서, 상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 봉-형상 기하구조에 순응한다. In yet another embodiment, at least one of the plurality of sub-wavelength antenna elements conforms to a rod-shaped geometry.

다른 실시예에서, 상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 V-형상 기하구조에 순응한다. In another embodiment, at least one of the plurality of sub-wavelength antenna elements conforms to a V-shape geometry.

또 다른 실시예에서, 상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 스플릿 링 기하구조에 순응한다. In yet another embodiment, at least one of the plurality of sub-wavelength antenna elements conforms to a split ring geometry.

또 다른 실시예에서, 상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 2개는 상기 전원에 연결된 동일 전도 요소에 연결된다. In yet another embodiment, at least two of the plurality of sub-wavelength antenna elements are coupled to a same conducting element coupled to the power source.

또 다른 실시예에서, 서브파장 안테나 요소들의 로우(rows)가, 전원에 연결된 각자의 전도성 요소에 연결된다. In another embodiment, rows of sub-wavelength antenna elements are connected to respective conductive elements that are connected to a power source.

도 1a-1b는 종래 기술의 메타표면을 도시한다. 
도 2a-2b는 입사각의 함수로 메타표면 리플렉트어레이 및 그 반사각을 도시한다. 
도 3a-3b는 발명의 소정의 실시예에 따라, 봉-형상 서브파장 안테나 요소들을 포함하는, 전기적으로 튜닝가능한 메타표면 리플렉트어레이를 도시한다.
도 4는 발명의 소정의 실시예에 따라 메타표면 내에 구현될 수 있는 전향 물질(prospective material)을 도시한다. 
도 5a-5c는 골드 서브파장 안테나 요소들의 어레이, ITO-Al2O3 인터페이스, 및 골드 미러를 포함하는 전기적 튜닝가능 메타표면을 도시하며, 이 경우 서브파장 안테나 요소들의 로우(rows)가 발명의 소정의 실시예에 따라 동일 전위로 유지된다. 
도 6은 발명의 소정의 실시예에 따라 하부-게이팅된 전기적 튜닝가능 메타표면을 도시한다. 
도 7a-7c는 발명의 소정의 실시예에 따라 이용될 수 있는, 전위차 인가로 공진 스플릿을 보여주는 데이터를 도시한다.
도 8a-8b는 발명의 소정의 실시예에 따라 전하 운반체 농도 및 파장의 함수로 반사 및 위상 변이가 어떻게 변하는 지를 도시한다. 
도 9a-9b는 발명의 소정의 실시예에 따라 전하 운반체 농도의 함수로 반사 및 위상 변이가 어떻게 변하는 지를 도시한다.
1A-1B show a prior art metasurface.
2a-2b show a metasurface reflectarray and its reflection angle as a function of the angle of incidence.
3A-3B illustrate an electrically tunable metasurface reflectarray comprising rod-shaped subwavelength antenna elements, in accordance with certain embodiments of the invention.
4 illustrates a prospective material that may be embodied in a metasurface in accordance with certain embodiments of the invention.
5a-5c show an electrically tunable metasurface comprising an array of gold subwavelength antenna elements, an ITO-Al 2 O 3 interface, and a gold mirror, in which case the rows of subwavelength antenna elements are of the invention; It remains at the same potential according to some embodiments.
6 illustrates a sub-gated electrically tunable metasurface in accordance with certain embodiments of the invention.
7A-7C show data showing a resonant split with application of a potential difference, which may be used in accordance with certain embodiments of the invention.
8A-8B illustrate how reflection and phase shift vary as a function of charge carrier concentration and wavelength in accordance with certain embodiments of the invention.
9A-9B illustrate how reflection and phase shift vary as a function of charge carrier concentration in accordance with certain embodiments of the invention.

이제 도면을 참조하여, 전기적 튜닝가능 메타표면을 구현하는 시스템 및 방법이 예시된다. 많은 실시예에서, 전기적 튜닝가능 메타표면은 가시광 및/또는 근적외선(니어-IR)광 수준의 파장을 가진 전자기파를 포함한(그러나 이에 제한되지 않는) 반사 전자기파 및/또는 투과 전자기파의 위상 및/또는 진폭을 제어하도록 전계-광학적 튜닝가능한 복합 유전 기능을 가진 서브파장 안테나 요소들의 어레이를 포함한다. 수많은 실시예에서, 이러한 메타표면은 광학적 빔형성기를 구현하는데 사용된다. Referring now to the drawings, a system and method for implementing an electrically tunable metasurface is illustrated. In many embodiments, the electrically tunable metasurface comprises the phase and/or amplitude of reflected and/or transmitted electromagnetic waves, including, but not limited to, electromagnetic waves having wavelengths on the order of visible and/or near-infrared (near-IR) light. and an array of subwavelength antenna elements having a complex dielectric function that is electro-optically tunable to control In many embodiments, such metasurfaces are used to implement optical beamformers.

메타물질 및 메타표면은 전자기파의 견고한 제어를 위한 다양한 전위를 갖는 것으로 간주된다. 그러나, 이 분야의 진보 중 많은 부분이, 발생되는 전자기적 응답으로 크게 고정되어 있는, 그리고, 제한된 대역폭에서 작동하도록 구성되는, 메타표면으로 국한되고 있다. 결과적으로, 발생되는 전자기적 응답을 제조-후 동적으로 제어할 수 있게 하는 "튜닝가능" 메타물질/메타표면을 개발하는 것에 많은 관심이 모아지고 있다. 특히, 근적외선파 및 가시광과 대응하는 파장을 가진 전자기파를 조작하도록 구성되는 튜닝가능 메타물질/메타표면을 발전시킬 수 있는 부분에 관심이 모아지고 있다. 일반적으로, 근적외선파의 파장 또는 그 이하의 파장을 가진 전자기파로부터 발원하는 반사 및 굴절파를 제어할 수 있는 것이 유용할 것이다. 따라서, 예를 들어, "Highly Strained Compliant Optical Metamaterials with Large Frequency Tunability," to Pryce et al. (Nano Lett . 2010, 10. 4222-4227, DOI:10.1021/nl102684)에서는 공진 요소들 간의 거리를 제어가능하게 수정하도록 탄성중합체 기판의 기계적 고-응력변형을 이용하여, 광학 주파수에서 공진 선폭보다 큰, 대략 400nm의 파장 튜닝가능성을 가진 순응성 메타물질을 개시한다. "Highly Strained Compliant Optical Metamaterials with Large Frequency Tunability"의 개시내용은, 특히, 전자기적 응답 특성을 튜닝하도록 메타물질 변형에 관한 것이기에, 그 전체가 본 발명에 포함된다. Metamaterials and metasurfaces are considered to have various potentials for robust control of electromagnetic waves. However, much of the progress in this field has been limited to metasurfaces, which are largely fixed in the electromagnetic response they generate, and configured to operate at limited bandwidths. Consequently, there is a lot of interest in developing “tunable” metamaterials/metasurfaces that allow for dynamic post-fabrication control of the generated electromagnetic response. In particular, interest is focused on the potential for developing tunable metamaterials/metasurfaces configured to manipulate electromagnetic waves with wavelengths corresponding to those of near-infrared and visible light. In general, it would be useful to be able to control reflected and refracted waves originating from electromagnetic waves having wavelengths at or below the wavelength of near-infrared waves. Thus, see, for example, “Highly Strained Compliant Optical Metamaterials with Large Frequency Tunability,” to Pryce et al. ( Nano Lett . 2010, 10. 4222-4227, DOI:10.1021/nl102684) uses a mechanical high-strain of an elastomeric substrate to controllably modify the distance between the resonant elements, at optical frequencies larger than the resonant linewidth of approximately 400 nm. A compliant metamaterial with wavelength tunability is disclosed. Since the disclosure of "Highly Strained Compliant Optical Metamaterials with Large Frequency Tunability" relates, inter alia, to modifying metamaterials to tune electromagnetic response properties, their entirety is encompassed by the present invention.

이에도 불구하고, 많은 실제 응용예에서, 요망되는 전자기적 응답 특성을 실현하기 위해 기계적 변형에 의존해야하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 더욱이, 많은 예에서, 메타표면의 전자기적 응답의 훨씬 더 미묘한 제어를 가능하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 많은 예에서, 메타표면 내에서 전자기적 응답 특성을 국부적으로 제어할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 추가적으로, 지금까지 발전되어온 가시광에 대해 작동하도록 구성된 메타표면들 중 상당수가 광학적으로 비효율적임을 언급할 필요가 있다. 예를 들어, 많은 기존 광학적 메타표면들은 10% 미만의 광학적 효율을 가진다. 알다시피, 개선된 광학적 효율을 가진 메타표면을 구현하는 것이 바람직할 수 있다. 이어지는 논의 중 상당수가 개선된 광학적 효율을 실현하기 위해 광 반사에 사용되는 메타물질을 설명함에 반해, 동적으로 튜닝가능한 굴절률을 가진 굴절형 메타표면을 생성하는데 유사한 기술이 이용될 수 있음을 이해하여야 한다. Notwithstanding this, in many practical applications it may not be desirable to have to rely on mechanical strain to realize the desired electromagnetic response characteristics. Moreover, in many instances, it may be desirable to allow for even more subtle control of the electromagnetic response of the metasurface. For example, in many instances it may be desirable to be able to locally control the electromagnetic response properties within the metasurface. Additionally, it is worth mentioning that many of the metasurfaces that have been developed so far configured to work for visible light are optically inefficient. For example, many existing optical metasurfaces have optical efficiencies of less than 10%. As can be seen, it may be desirable to implement metasurfaces with improved optical efficiency. While much of the discussion that follows describes metamaterials used for light reflection to realize improved optical efficiencies, it should be understood that similar techniques can be used to create refractive metasurfaces with dynamically tunable refractive indices. .

따라서, 발명의 많은 실시예에서, 가령, 근적외선 및 가시광을 포함한, 10 ㎛ 미만의 파장을 가진 전자기파에 응답하도록 구성되는 튜닝가능 메타표면이 구현되며, 이 경우 국부화된 전기장을 이용하여, 메타표면의 국부화된 전자기적 응답 특성을 조작할 수 있다. 추가적으로, 발명의 많은 실시예는 개선된 광학적 효율을 가진 메타표면을 구현한다. 알다시피, 이러한 견고한 메타표면은 다양한 응용예에서 실제로 구현될 수 있다. 예를 들어, 많은 실시예에서, 광학적 빔형성 메타표면이 구현된다. 다수의 실시예에서, 설명되는 견고한 메타표면을 이용하여 홀로그래피를 실현할 수 있다. 여러 실시예에서, 설명되는 견고한 메타표면을 이용하여 애니메이션화된 홀로그래피를 실현할 수 있다. 많은 실시예에서, 설명되는 견고한 메타표면을 이용하여 클로킹 장치(cloaking devices)를 실현할 수 있다. 게다가, 설명되는 견고한 메타표면은 이러한 견고한 파면 형성 기능으로부터 잇점을 얻을 수 있는 다양한 응용예에서 구현될 수 있다. 메타표면의 구조의 상세한 설명을 제시하기 전에, 메타표면 현상의 바탕이 되는 물리학의 개론이 이제 아래에서 제시된다. Thus, in many embodiments of the invention, a tunable metasurface configured to respond to electromagnetic waves having a wavelength of less than 10 μm, including, for example, near infrared and visible light, is implemented, in which case using a localized electric field, the metasurface is implemented. It is possible to manipulate the localized electromagnetic response characteristics of Additionally, many embodiments of the invention implement metasurfaces with improved optical efficiency. As you can see, such a rigid metasurface can be implemented in practice in various applications. For example, in many embodiments, an optical beamforming metasurface is implemented. In many embodiments, it is possible to realize holography using the described robust metasurface. In various embodiments, the described robust metasurface can be used to realize animated holography. In many embodiments, it is possible to realize cloaking devices using the described rigid metasurface. Moreover, the described robust metasurface can be implemented in a variety of applications that may benefit from this robust wavefront forming function. Before giving a detailed description of the structure of metasurfaces, an overview of the physics underlying metasurface phenomena is now presented below.

일반적으로 알려진 commonly known 메타표면metasurface 물리학 Physics

본 출원의 주제인 튜닝가능 메타표면을 논의하기 전에, 메타표면 현상을 지배하는 일반적으로 알려진 물리학 일부를 살펴보는 것이 유용하다. 메타물질/메타표면 현상을 논의할 때, 스넬(Snell)의 법칙의 일반화된 버전을 흔히 이용하여 전자기 응답을 모델링할 수 있다. 굴절에 대한 스넬의 법칙의 일반화된 버전은 다음과 같이 표현될 수 있다:Before discussing the subject of this application, tunable metasurfaces, it is useful to review some of the generally known physics governing metasurface phenomena. When discussing metamaterial/metasurface phenomena, a generalized version of Snell's law can often be used to model the electromagnetic response. A generalized version of Snell's law for refraction can be expressed as:

Figure 112016092265847-pct00001
Figure 112016092265847-pct00001

여기서, here,

n i 는 입사광이 통과하는 제 1 매질의 굴절률이고, n i is the refractive index of the first medium through which the incident light passes,

n t 는 입사광이 통과하는 제 2 매질의 굴절률이며, n t is the refractive index of the second medium through which the incident light passes,

θ i 는 입사광의 입사각이고,  θ i is the angle of incidence of the incident light,

θ t 는 광이 제 2 매질을 통과할때 굴절되는 광의 굴절각이며,  θ t is the angle of refraction of the light refracted when the light passes through the second medium,

/dx는 입사 평면에서의 광파의 위상 변화를 특징으로 하고,  / dx characterizes the phase change of the light wave in the plane of incidence,

λ 0 는 입사광의 파장이다. λ 0 is the wavelength of the incident light.

마찬가지로, 반사에 대한 스넬의 법칙의 일반화된 버전은 다음과 같이 표현될 수 있다:Similarly, a generalized version of Snell's law for reflection can be expressed as:

Figure 112016092265847-pct00002
Figure 112016092265847-pct00002

앞서와 동일한 관례를 이용하였고, θ r 은 반사광의 반사각이다. 많은 원에서, 값 (/dx)는 파-벡터로 간주된다. 많은 부분이 모멘텀 보존의 예로 스넬의 법칙의 일반화 버전을 특성화하고 있음에 또한 주목할 수 있다. The same convention as before was used, and θ r is the reflection angle of the reflected light. In many circles, the values ( / dx ) are considered wave-vectors. It can also be noted that much characterizes a generalized version of Snell's law as an example of conservation of momentum.

스넬의 법칙의 일반화 버전에 대한 논의는 "Light Propagation with Phase Discontinuities; Generalized Laws of Reflection and Refraction," to Yu et al. (Science. 2011 Oct 21;334 (6054): 333-7. doi: 10.1126/science.1210713.)에서 찾을 수 있다. "Light Propagation with Phase Discontinuities; Generalized Laws of Reflection and Refraction"의 개시내용은, 특히, 스넬의 법칙의 일반화 버전에 관한 것이기에, 그 전체 내용이 본 발명에 포함된다. 입사 평면에서의 위상 변화 때문에 발원하는 굴절 및 반사는 '변칙 굴절' 및 '변칙 반사'로 각각 불릴 수 있다. For a discussion of a generalized version of Snell's law see "Light Propagation with Phase Discontinuities; Generalized Laws of Reflection and Refraction," to Yu et al. ( Science . 2011 Oct 21;334 (6054): 333-7. doi: 10.1126/science.1210713.). Since the disclosure of "Light Propagation with Phase Discontinuities; Generalized Laws of Reflection and Refraction" relates, inter alia, to a generalized version of Snell's law, its entirety is incorporated herein by reference. Refraction and reflection that originate because of a phase change in the plane of incidence may be referred to as 'anomalous refraction' and 'anomalous reflection', respectively.

어느 경우에도, 입사 광원으로부터 굴절 및 반사각이 입사 평면에서의 위상 변화의 함수임을 스넬의 법칙의 일반화 버전으로부터 알 수 있다. 메타표면의 작동이 일반적으로 이 현상에 의존한다. 일반적으로, 메타표면은 - 종종 서브파장 요소들 형태의 - 공진자를 이용하여, 입사광의 위상 변화(통상적으로 급격한 변화)를 야기한다. 이러한 공진자는 입사광의 진폭 및 편광을 변경시키는데 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 서브파장 안테나 요소에 의해 야기되는 위상변이(및 진폭 및 편광 응답)는 안테나의 기하구조의 함수다. 따라서, 지금까지 메타표면은, v-형상 안테나 요소, 봉, 및 스플릿 링 공진자를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 형태의 안테나 요소들을 구현하였다. 앞서 시사한 바와 같이, 안테나 요소들은 통상적으로, 이들이 만나는 전자기파의 파장보다 훨씬 짧은 치수를 가진다. In any case, it can be seen from a generalized version of Snell's law that the angle of refraction and reflection from the incident light source is a function of the phase change in the plane of incidence. The operation of metasurfaces generally depends on this phenomenon. In general, metasurfaces use a resonator - often in the form of subwavelength elements - to cause a phase change (usually abrupt) of the incident light. Such resonators can also be used to change the amplitude and polarization of incident light. In general, the phase shift (and amplitude and polarization response) caused by sub-wavelength antenna elements is a function of the geometry of the antenna. Thus, so far, metasurfaces have implemented various types of antenna elements, including, but not limited to, v-shaped antenna elements, rods, and split ring resonators. As previously suggested, antenna elements typically have dimensions that are much shorter than the wavelength of the electromagnetic wave they encounter.

메타표면은 표면 플라즈몬 현상 때문에 그 고유 성질을 종종 실현한다. 일반적으로, 금속 표면 근처의 자유 전자의 전하 발진인 표면 플라즈몬은 광 및 물질과의 상호작용으로부터 나타나고, 통상적으로, 전도체-유전체 계면에서 발생된다. 특정 조건 하에서, 광은 표면 플라즈몬과 결합하여 자급식, 전파되는 전자기파를 생성하고, 이는 표면 플라즈몬 폴리리톤으로 알려져 있다. 이러한 표면 플라즈몬 폴라리톤 생성은 메타표면으로 실현될 수 있는 고유 광학적 성질에 종종 관련된다. 이러한 메타표면은 플라즈몬 메타표면으로 불릴 수 있다. Metasurfaces often realize their intrinsic properties due to surface plasmon phenomena. In general, surface plasmons, which are charge oscillations of free electrons near the metal surface, arise from interactions with light and matter, and typically arise at the conductor-dielectric interface. Under certain conditions, light combines with surface plasmons to produce self-contained, propagating electromagnetic waves, known as surface plasmon polylithons. Such surface plasmon polariton generation is often related to the intrinsic optical properties that can be realized with metasurfaces. Such metasurfaces may be referred to as plasmonic metasurfaces.

도 1a 및 1b는 요망 정도만큼 입사 적외선 전자기파의 위상을 변이시키는 기능을 보여주는 위상 어레이 안테나 요소들을 포함하는 종래 기술의 메타표면을 도시한다. 특히, 도 1a는 복수의 v-형상 위상 어레이 안테나 요소(104)들을 포함하는 메타표면(102)을 도시한다. 강조된 v-형상 안테나 요소(106)들은 '2π 위상 커버리지'를 보여주는데 사용되는 다양한 안테나 요소들을 나타낸다. 다시 말해서, 도시되는 서브파장 안테나 요소들 각각은 기본적으로 소정 정도만큼 입사 적외선 전자기파의 위상을 변이시키는 효과를 가지며, 변이 정도는 안테나 요소의 기하구조에 좌우된다. 따라서, 도시되는 8개의 서브파장 안테나 요소(106)들은 서로 다른 기하구조를 가지고, 따라서, 입사되는 파를 서로 다른 크기로 변이시킨다. 도시되는 예에서, 서로 다른 기하구조는 0 내지 2π의 크기만큼 입사파의 위상을 변이시키는 기능을 보여주며, 이러한 변이는 안테나 요소의 기하구조에 좌우된다. 안테나 요소는 대략 2 ㎛의 길이를 갖고, 따라서 안테나 요소들은 적외선 파장(가령, λ = 8 ㎛)을 만나도록 구성된다. 중요 사항으로서, 안테나 요소들의 기하구조가 고정되어 있기 때문에, 이들이 야기하는 각자의 위상변이가 제조-후 또한 고정된다. 1A and 1B show a prior art metasurface comprising phased array antenna elements that exhibit the ability to shift the phase of an incident infrared electromagnetic wave by a desired degree. In particular, FIG. 1A shows a metasurface 102 comprising a plurality of v-shaped phased array antenna elements 104 . The highlighted v-shaped antenna elements 106 represent the various antenna elements used to show '2π phase coverage'. In other words, each of the illustrated sub-wavelength antenna elements basically has the effect of shifting the phase of the incident infrared electromagnetic wave by a predetermined degree, and the degree of shift depends on the geometry of the antenna element. Accordingly, the illustrated eight sub-wavelength antenna elements 106 have different geometries, and thus shift the incident wave to different magnitudes. In the illustrated example, the different geometries show the ability to shift the phase of the incident wave by a magnitude of 0 to 2π, and this shift is It depends on the geometry of the antenna element. The antenna element has a length of approximately 2 μm, so that the antenna elements are configured to meet an infrared wavelength (eg, λ=8 μm). Importantly, since the geometry of the antenna elements is fixed, the respective phase shifts they cause are also fixed post-fabrication.

도 1b는 입사 적외선 전자기파가 안테나 어레이와 어떻게 상호작용하는지를 보여준다. 전파 방향이 변화함에 주목해야 하고, 이는 현실적으로 잘 나타나지 않는 현상이다. 1B shows how an incident infrared electromagnetic wave interacts with an antenna array. It should be noted that the propagation direction changes, which is a phenomenon that does not appear well in reality.

메타표면 작동의 기반이 되는 상술한 물리적 현상은 메타표면 리플렉트어레이에서도 발견할 수 있고, 그 원리는 반사광에 관련된다. 통상적으로, 이러한 메타표면은 미러 표면을 경계로하고, 이는 투과광을 효과적으로 '소거'시킨다. 주목할 사항으로서, 이러한 표면들은 고-효율이도록, 편광을 보존하도록, 그리고, 광학 주파수에서 또는 그 부근에서 작동하도록 만들어질 수 있다. 도 2a-2b는 광학 주파수에서 파장을 만나도록 구성된 종래 기술의 리플렉트어레이 메타표면을 도시한다. 특히, 메타표면(202)은 특정 위상 변이를 야기하기 위한 크기를 가진 구성 안테나 요소(204)들을 포함한다. 서브-셀(206)의 상세도가 또한 도시되어, 서브-셀이 유전층(210) 상에 배치되는 안테나 요소(208)들을 포함함을 보여주며, 유전층(210) 자체는 금속 필름(212) 상에 배치된다. 구체적으로, 도시되는 종래 기술의 구조는 골드로 제조되는 안테나 요소(208)들과, MgF2로부터 제조되는 유전층(210)과, 골드로 제조되는 금속 필름(212)을 이용한다. 금 안테나의 두께는 대략 30nm이고, 유전층 두께는 대략 50 nm이며, 골드 필름의 두께는 대략 130nm 다. 도시되는 구조의 작동 파장은 대략 850nm 다. 도 2a는 수직 입사각을 가진 광(222)으로 메타표면이 조명될 때, 반사광(224)이 - 직관에 반하여 - 소정 각도로 반사됨을 또한 보여준다. 이는 메타표면 효과다. The above-described physical phenomenon underlying metasurface operation can also be found in metasurface reflectarrays, and the principle is related to reflected light. Typically, these metasurfaces are bounded by a mirror surface, which effectively 'cancels' the transmitted light. Note that these surfaces can be made to be high-efficiency, to conserve polarization, and to operate at or near optical frequencies. 2a-2b show prior art reflectarray metasurfaces configured to meet wavelengths at optical frequencies. In particular, the metasurface 202 includes constituent antenna elements 204 sized to cause a particular phase shift. A detail view of the sub-cell 206 is also shown, showing that the sub-cell includes antenna elements 208 disposed on a dielectric layer 210 , the dielectric layer 210 itself being on a metal film 212 . is placed on Specifically, the illustrated prior art structure uses antenna elements 208 made of gold, a dielectric layer 210 made from MgF 2 , and a metal film 212 made from gold. The thickness of the gold antenna is approximately 30 nm, the thickness of the dielectric layer is approximately 50 nm, and the thickness of the gold film is approximately 130 nm. The operating wavelength of the structure shown is approximately 850 nm. FIG. 2A also shows that when the metasurface is illuminated with light 222 having a normal angle of incidence, the reflected light 224 is reflected at an angle - contrary to intuition. This is the metasurface effect.

도 2b는 입사각의 함수로 반사각의 플롯을 도시한다. 음영 영역(252)은 입사광이 직관에 반하여 자체를 향해 다시 반사되는 영역을 표시한다. 이 플롯은 그 위로 반사가 없는 임계각이 존재함을 보여준다. 2B shows a plot of the angle of reflection as a function of angle of incidence. Shaded area 252 marks the area where incident light is reflected back towards itself counter-intuitively. This plot shows that there is a critical angle above which there is no reflection.

메타표면 물리학 및 거동의 위 개요에 기초하여, 발명의 실시예에 따라 광학적 및/또는 근-적외선파를 포함한(그러나 이에 제한되지 않는) 10㎛의, 또는 그 이하 파장의 전자기파의 전파에 대해 동적 제어를 제공하는, 광학-전기적으로 튜닝가능한 메타표면이 이제 아래에서 논의된다. Based on the above overview of metasurface physics and behavior, dynamic for propagation of electromagnetic waves of wavelengths of 10 μm or less, including but not limited to optical and/or near-infrared waves, according to embodiments of the invention An opto-electrically tunable metasurface, which provides control, is now discussed below.

대략 approximately 10㎛10㎛ 미만의 파장을 가진 전자기파의 전파를 제어하기 위한 전기적 튜닝가능 메타표면 An electrically tunable metasurface for controlling the propagation of electromagnetic waves with sub-wavelengths

많은 실시예에서, 가령, 근적외선 전자기파 및 가시광 전자기파를 포함하는, 대략 10㎛ 미만의 파장을 가진 전자기("EM")파의 전파를 제어하기 위한 전기적 튜닝가능 메타표면이 제시되며, 이 경우 메타표면의 전자기적 응답 특성을 동적으로 증강시키기 위해 전기장이 국부적으로 가해질 수 있다. 위 논의로부터 알 수 있듯이, 메타표면의 전자기 응답은 구조물의 기하구조(가령, 구현되는 공진자의 기하구조)와 강하게 상관된다. 또한 알다시피, 전자기적 응답은 메타표면의 구성 물질의 함수이기도 하다. 일반적으로, 메타표면의 구조 및 조성은 요망되는 전자기적 응답 특성을 유도할 수 있는 특정 구조/조성을 선택적으로 구현함으로써 요망되는 전자기적 응답 특성을 구현하도록 맞춤화될 수 있다. 본 발명의 많은 실시예들은, 플라즈몬 메타표면 내의 전도체-유전체 복합체의 전도체 내의 국부 운반체 농도가 메타표면의 전자기적 응답 특성에 또한 영향을 미칠 수 있다는 새로운 이해를 또한 이용한다. 따라서, 발명의 많은 실시예에서, 메타표면은 10 ㎛ 미만 파장의 전자기파에 메타표면을 응답하게 하는 배열로 전도체-유전체 계면과 서브파장 안테나 요소들의 어레이를 포함하며, 전기장 인가는 메타표면의 전자기적 응답 특성을 증강시킨다. 인가 전기장은 전도체-유전체 계면의 표면에서 운반체 농도를 변화시켜서, 결국 메타표면의 전자기적 응답 특성을 변형시킨다고 판단된다. In many embodiments, an electrically tunable metasurface is provided for controlling the propagation of electromagnetic (“EM”) waves having wavelengths less than approximately 10 μm, including, for example, near-infrared electromagnetic waves and visible electromagnetic waves, in this case the metasurface. An electric field can be applied locally to dynamically enhance the electromagnetic response characteristics of As can be seen from the discussion above, the electromagnetic response of the metasurface is strongly correlated with the geometry of the structure (eg, the geometry of the resonator being implemented). As we also know, the electromagnetic response is also a function of the constituent material of the metasurface. In general, the structure and composition of the metasurface can be tailored to implement a desired electromagnetic response characteristic by selectively implementing a particular structure/composition capable of eliciting the desired electromagnetic response characteristic. Many embodiments of the present invention also exploit the novel understanding that the local carrier concentration in the conductor of a conductor-dielectric complex within a plasmonic metasurface can also affect the electromagnetic response properties of the metasurface. Thus, in many embodiments of the invention, the metasurface comprises a conductor-dielectric interface and an array of subwavelength antenna elements in an arrangement that renders the metasurface responsive to electromagnetic waves of wavelengths less than 10 μm, wherein the application of the electric field is the electromagnetic wave of the metasurface. Reinforces response characteristics. It is judged that the applied electric field changes the carrier concentration at the surface of the conductor-dielectric interface, which in turn alters the electromagnetic response characteristics of the metasurface.

예를 들어, 많은 실시예에서, 전기적으로 튜닝가능한 메타표면 리플렉트어레이가 구현된다. 예를 들어, 도 3a-3b는 봉-형상 서브파장 안테나 요소들의 어레이를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이를 도시한다. 특히, 도 3a는 봉-형상 서브파장 안테나 요소(304)들을 포함하는 메타표면(302)의 평면도를 도시한다. 도 3b는 서브파장 안테나 요소(304)를 포함하는 메타표면(302)의 단면도 일부분을 도시한다. 특히, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이는 아래에 놓인 미러를 특징으로 하며, 그 위에는 전도층이 배치되고, 그 위에는 유전층이 배치된다. 도시되는 실시예에서, 서브파장 안테나 요소가 유전층 상에 배치된다. 전기장이 메타표면에 국부적으로 인가될 때, 전자기적 응답 특성은 결과로 변할 수 있다 - 전기장 인가는 전도체-유전체 계면에서 전도층 내의, 즉, 활성 전도층 영역 내의, 전하 운반체 농도를 변형시킨다고 판단되고, 그래서 메타표면의 전자기적 응답의 변화를 야기한다고 판단된다. 도시되는 실시예에서, 전위차가 미러와 서브파장 안테나 요소 간에 직접 가해져서, 전기장을 구축한다. 전위차는 발명의 실시예에 따라 다양한 방식으로 구축될 수 있다. 많은 실시예에서, 하나 이상의 전력원을 이용하여, 서브파장 안테나 요소들과 미러링되는 표면 간에 전위차를 구축할 수 있다. 많은 실시예에서, 전력원은 각자의 복수의 서브파장 안테나 요소들과 미러링되는 표면 간에 복수의 전위차를 구축할 수 있다. 발명의 실시예에 따라, 다양한 회로들 중 임의의 회로를 이용하여, 전기적 튜닝가능 메타표면에서의 전위차 인가를 실현할 수 있다. 전위차 인가가 논의되었으나, 발명의 많은 실시예에 따라 다양한 방식으로, 전기적 튜닝가능 메타표면에서 전기장이 구축될 수 있음이 명백하다. For example, in many embodiments, an electrically tunable metasurface reflectarray is implemented. For example, FIGS. 3A-3B illustrate an electrically tunable metasurface reflectarray, comprising an array of rod-shaped subwavelength antenna elements. In particular, FIG. 3A shows a top view of a metasurface 302 comprising rod-shaped subwavelength antenna elements 304 . 3B shows a cross-sectional portion of a metasurface 302 that includes a subwavelength antenna element 304 . In particular, the electrically tunable metasurface reflectarray features an underlying mirror, on which a conductive layer is disposed and a dielectric layer disposed thereon. In the embodiment shown, the subwavelength antenna element is disposed on the dielectric layer. When an electric field is locally applied to the metasurface, the electromagnetic response properties can change as a result - it is judged that the application of the electric field modifies the charge carrier concentration in the conducting layer at the conductor-dielectric interface, i.e., in the region of the active conducting layer, and , so it is judged to cause a change in the electromagnetic response of the metasurface. In the illustrated embodiment, a potential difference is applied directly between the mirror and the subwavelength antenna element, establishing an electric field. The potential difference may be established in various ways according to an embodiment of the invention. In many embodiments, one or more power sources may be used to build a potential difference between the subwavelength antenna elements and the mirrored surface. In many embodiments, the power source may establish a plurality of potential differences between the respective plurality of subwavelength antenna elements and the mirrored surface. In accordance with an embodiment of the invention, any of a variety of circuits may be used to realize application of a potential difference at an electrically tunable metasurface. While application of a potential difference has been discussed, it is apparent that an electric field can be built up in an electrically tunable metasurface in a variety of ways in accordance with many embodiments of the invention.

추가적으로, 알다시피, 서브파장 안테나 요소들의 특정 기하구조와, 유전층 및 전도층의 두께가, 요망되는 전자기적 응답 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 더욱이, 이러한 층들 및 서브파장 안테나 요소들 내에서 구현되는 특정 물질들은 메타표면 리플렉트어레이의 전자기적 응답 특성에 또한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 알다시피, 메타표면 리플렉트어레이 형성을 위해 선택된 물질 역시 요망되는 전자기적 응답에 기초할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전도층은 인듐 틴 옥사이드, 그래핀, 전도성 나이트라이드, 및 티타늄 나이트라이드 중 하나를 포함한다. "Low-Loss Plasmonic metamaterials", by Boltasseva et al. (Science 331, 290 (2011); DOI: 10.1126/science. 1198258)에서는 메타물질 내의 구현을 위한 물질 선택시 고려사항을 개시하고 있다. "Low-Loss Plasmonic Metamaterials"은, 특히, 메타물질 형성시 물질 선택 프로세스의 고려사항을 개시하고 있기 때문에, 본 발명에 그 내용 전체가 포함된다. "Low-Loss Plasmonic Metamaterials"로부터 발췌된 도 4는 표적화된 전자기 파장에 기초하여 메타표면 리플렉트어레이의 구현에 이용될 수 있는 여러 물질들을 보여준다. 마찬가지로, 임의의 적절한 유전층이 구현될 수 있다. 예를 들어, 많은 실시예에서, 유전체 옥사이드가 구현된다. 여러 실시예에서, 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 유전층으로 구현된다. 도 4에서 제시되는 임의의 적절한 물질이 발명의 실시예에 따라 메타표면 리플렉트어레이의 구현에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 구현되는 물질은 기존 제조 인프러스트럭처와 양립가능한 물질들이다. 예를 들어, 많은 실시예에서, 전도층 물질은 현대 반도체 제조 하우스에 즉각 포함될 수 있는 물질이다. 일반적으로, 알다시피, 도 3a-3b에 도시되는 메타표면은, 발명의 많은 실시예에 따라 요망되는 전자기적 응답 특성 및 요망되는 작동에 기초하여, 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 변형될 수 있다. Additionally, as will be appreciated, the specific geometry of the subwavelength antenna elements and the thickness of the dielectric and conductive layers may be selected based on the desired electromagnetic response characteristics. Moreover, the specific materials implemented within these layers and sub-wavelength antenna elements may also affect the electromagnetic response properties of the metasurface reflectarray. Thus, as will be appreciated, the material selected for forming the metasurface reflectarray can also be based on a desired electromagnetic response. For example, in some embodiments, the conductive layer comprises one of indium tin oxide, graphene, conductive nitride, and titanium nitride. “Low-Loss Plasmonic metamaterials”, by Boltasseva et al. ( Science 331, 290 (2011); DOI: 10.1126/science. 1198258) discloses considerations in material selection for implementation in metamaterials. "Low-Loss Plasmonic Metamaterials" are incorporated herein in their entirety, particularly since they disclose considerations of the material selection process in metamaterial formation. Figure 4, taken from "Low-Loss Plasmonic Metamaterials", shows several materials that can be used for the implementation of metasurface reflectarrays based on targeted electromagnetic wavelengths. Likewise, any suitable dielectric layer may be implemented. For example, in many embodiments, a dielectric oxide is implemented. In various embodiments, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is implemented as the dielectric layer. Any suitable material presented in FIG. 4 may be used to implement a metasurface reflectarray in accordance with an embodiment of the invention. In some embodiments, the materials implemented are materials compatible with existing manufacturing infrastructures. For example, in many embodiments, the conductive layer material is a material that can be readily incorporated into a modern semiconductor fabrication house. In general, as will be appreciated, the metasurface shown in FIGS. 3A-3B may be modified in any of a variety of ways, based on desired behavior and desired electromagnetic response characteristics in accordance with many embodiments of the invention. .

많은 실시예에서, 복수의 서브파장 안테나 요소들이 단일 전도 요소와 접촉하여, 동일한 전위로 유지되게 된다. 이러한 배열에서, 전기장이 더욱 쉽게 구축될 수 있다 - 가령, 복수의 서브파장 안테나 요소와 미러 간에 전위차가 더욱 쉽게 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 5a-5c는 서브파장 안테나 요소들의 로우(rows)를 포함하는 메타표면 리플렉트어레이를 도시하며, 각각은 각자의 단일 전도 요소에 의해 연결된다. 특히, 도 5a는 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 등각투상도를 도시한다. 더 구체적으로, 도 5a는 봉-형상 서브파장 안테나 요소(504)들을 포함하는 메타표면(502)을 도시하며, 이러한 안테나 요소들은 전도 요소(506)에 의해 연결되고, 따라서, 동 전위로 유지된다. 따라서, 도 5a는 서브파장 안테나 요소들의 제 1 로우와 아래의 미러링된 표면 간에 전압이 인가됨을 보여주고, 이러한 전압을 이용하여 전자기적 응답 특성을 국부적으로 변형시킬 수 있음을 보여준다. 많은 실시예에서, 광학적 빔조향 수행을 위해 서브파장 안테나 요소들의 인접 로우들에게 서로 다른 위상이 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 응용예의 요건에 적합한 임의의 방식으로 반사광의 파면에서 위상을 변형시키도록 전압이 인가될 수 있다. 도 5b는 도 5a에 도시된 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다. In many embodiments, a plurality of subwavelength antenna elements are brought into contact with a single conducting element, such that they remain at the same potential. In such an arrangement, an electric field can be more easily built - for example, a potential difference can be more easily applied between a plurality of subwavelength antenna elements and a mirror. For example, FIGS. 5A-5C show a metasurface reflectarray comprising rows of subwavelength antenna elements, each connected by a respective single conducting element. In particular, FIG. 5A shows an isometric view of an electrically tunable metasurface reflectarray. More specifically, FIG. 5A shows a metasurface 502 comprising rod-shaped subwavelength antenna elements 504 , which are connected by a conducting element 506 and thus held at the same potential. . Thus, Figure 5a shows that a voltage is applied between the first row of subwavelength antenna elements and the mirrored surface below, and that this voltage can be used to locally modify the electromagnetic response characteristics. In many embodiments, different phases may be applied to adjacent rows of subwavelength antenna elements to perform optical beamsteering. In other embodiments, a voltage may be applied to change the phase at the wavefront of the reflected light in any manner suitable to the requirements of the particular application. FIG. 5B shows a scanning electron microscope (SEM) image of the electrically tunable metasurface reflectarray shown in FIG. 5A.

도 5c는 도 5a-5b에서 제시되는 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 단면도 일부분을 도시한다. 특히, 메타표면 리플렉트어레이는 아래에 놓인 골드 미러를 특징으로 하며, 그 위에는 ITO층이 배치되고, 그 위에는 알루미늄 옥사이드 - Al2O3 - 유전층이 배치된다. 골드 서브파장 안테나 요소(504)는 Al2O3 유전층 위에 배치된다. 5C shows a cross-sectional view of a portion of the electrically tunable metasurface reflectarray presented in FIGS. 5A-5B. In particular, the metasurface reflectarray features an underlying gold mirror, on which an ITO layer is disposed, on which an aluminum oxide - Al 2 O 3 - dielectric layer is disposed. A gold subwavelength antenna element 504 is disposed over the Al 2 O 3 dielectric layer.

도시되는 실시예의 기하구조는 다음을 특징으로 한다: 골드 미러의 두께는 130nm이고, ITO층의 두께는 16nm이며, 알루미늄 옥사이드층의 두께는 5nm이고, 서브파장 안테나 요소들의 공간 치수는 180nm x 60nm x 50nm 다. 따라서, 이러한 구조물의 설명되는 기하구조 및 조성은 1265nm의 전자기적 파장에서 자기 공진을 구축한다. The geometry of the illustrated embodiment is characterized as: the thickness of the gold mirror is 130 nm, the thickness of the ITO layer is 16 nm, the thickness of the aluminum oxide layer is 5 nm, and the spatial dimensions of the sub-wavelength antenna elements are 180 nm x 60 nm x 50 nm. Thus, the described geometry and composition of these structures establishes magnetic resonance at the electromagnetic wavelength of 1265 nm.

도 5c는 전위차가 골드 미러와 서브파장 안테나 요소 간에 가해지는 모습을 또한 도시한다. 이에 따라 ITO-Al2O3 계면 간에 전기장이 인가된다. 아래에서 더 상세히 제시되는 바와 같이, 전기장은 ITO-Al2O3 계면에서 운반체 농도 변화를 야기하고, 결국, 전자기적 응답 특성을 요망되는 방식으로 증강시킬 수 있다고 판단된다. 다시 말해서, 전자기적 응답 특성을 국부적으로 증강시키는, 도 5c에 도시되는, 서로 다른 전하 운반체 농도를 가진 '활성 ITO 영역'의 발전이 전기장에 의해 유도된다고 판단된다. 그러나, 발명의 실시예는 이러한 현상의 실제 실현에 제한되지 않는다. 근적외선 전자기파용으로 구성된, 이와 같이 설명되는 메타표면의 전자기적 응답 특성이 전기장을 이용하여 튜닝될 수 있음이 실험적으로 확인되었다. Figure 5c also shows how a potential difference is applied between the gold mirror and the sub-wavelength antenna element. Accordingly, an electric field is applied between the ITO-Al 2 O 3 interface. As will be presented in more detail below, it is believed that the electric field can cause a change in carrier concentration at the ITO-Al 2 O 3 interface and, in turn, enhance the electromagnetic response properties in a desired manner. In other words, it is judged that the electric field induces the development of 'active ITO regions' with different charge carrier concentrations, shown in Fig. 5c, which locally enhance the electromagnetic response characteristics. However, the embodiments of the invention are not limited to the actual realization of this phenomenon. It has been experimentally confirmed that the electromagnetic response characteristics of the metasurface thus described, configured for near-infrared electromagnetic waves, can be tuned using an electric field.

메타표면 리플렉트어레이의 구체적 예가 도 5a-5c에 도시되고 앞서 설명되었으나, 발명의 실시예는 이러한 구체적으로 설명되는 구조에 제한되지 않는다. 알다시피, 이러한 구조는 메타표면의 요망 응용예에 적합한 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 메타표면 리플렉트어레이가 동 전위로 유지되는 서브파장 안테나 요소들의 로우(rows)를 포함하지만, 많은 실시예에서, 국부화된 전기장이 개별 서브파장 요소들에 인가될 수 있고, 따라서, 이를 이용하여, 메타표면의 전자기적 응답 특성을 더욱 정밀하게 변형시킬 수 있다. 예를 들어 많은 실시예에서, 메타표면은 복수의 서브파장 안테나 요소들 각각이, 가령, 픽셀화된 디스플레이에 통상적으로 사용되는 제어 회로를 이용하여 독립적으로 어드레싱가능하다. 이러한 구조는 메타표면의 국부화된 전자기적 응답 특성에 대해 폭넓고 견고한 제어를 가능하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 메타표면은 조향가능 광학적 빔형성, 및 홀로그래피를 포함한(그러나 이에 제한되지 않는) 구체적 응용예들의 요건에 적합한 임의의 방식으로 파면 성형을 수행하는데 이용될 수 있다. 물론, 발명의 실시예에 따라 다양한 기술들 중 임의의 기술을 이용하여 메타표면에 국부적으로 전기장이 가해질 수 있다. A specific example of a metasurface reflectarray is shown in FIGS. 5A-5C and described above, but embodiments of the invention are not limited to this specifically described structure. As will be appreciated, this structure can be modified in any of a variety of ways suitable for the desired application of the metasurface. For example, although a metasurface reflectarray includes rows of subwavelength antenna elements held at the same potential, in many embodiments a localized electric field may be applied to the individual subwavelength elements, thus , can be used to more precisely modify the electromagnetic response characteristics of the metasurface. For example, in many embodiments, the metasurface is independently addressable by each of the plurality of sub-wavelength antenna elements, eg, using control circuitry commonly used in pixelated displays. Such a structure can enable broad and robust control over the localized electromagnetic response properties of the metasurface. In this way, the metasurface can be used to perform wavefront shaping in any manner suitable for the requirements of specific applications including, but not limited to, steerable optical beamforming, and holography. Of course, an electric field may be locally applied to the metasurface using any of a variety of techniques in accordance with embodiments of the invention.

종래의 전력원이 전기장을 일으키는 전위차 구축에 사용되는 경우에, 전력은 전기장 변화가 요망될 때 크게 소모될 뿐이며, 전기장 유지에는 비교적 적은 전력이 사용된다. 따라서, 설명되는 전기적 튜닝가능 메타표면은 상대적으로 에너지 효율적으로 만들어질 수 있다. In the case where a conventional power source is used to build a potential difference causing an electric field, power is only consumed greatly when the electric field change is desired, and relatively little power is used for maintaining the electric field. Thus, the described electrically tunable metasurface can be made relatively energy efficient.

추가적으로, 알다시피, 구체적 치수 및 기하구조를 가진 서브파장 안테나 요소들이 앞서 논의되었으나, 다양한 안테나 기하구조들 중 임의의 것이 발명의 실시예에 따라 구현될 수 있음은 명백하다. 일부 실시예에서, V-형상 안테나 요소들이 구현된다. 다수의 실시예에서, 스플릿 링 공진자가 구현된다. 여러 실시예에서, 봉이 안테나 요소로 구현된다. 알다시피, 특히 구현되는 안테나 요소들은 메타표면의 요망되는 전자기적 응답 특성에 기초할 수 있다. Additionally, as will be appreciated, while subwavelength antenna elements having specific dimensions and geometries have been discussed above, it will be apparent that any of a variety of antenna geometries may be implemented in accordance with embodiments of the invention. In some embodiments, V-shaped antenna elements are implemented. In many embodiments, a split ring resonator is implemented. In various embodiments, the rod is implemented as an antenna element. As will be appreciated, in particular the implemented antenna elements may be based on the desired electromagnetic response characteristics of the metasurface.

더욱이, 구체적 계층 구조가 논의되지만, 인가되는 전기장에 기초하여 튜닝가능 굴절률을 제공하는 전도체-유전체 계면을 포함하는 메타표면을 구현할 수 있는 임의의 적절한 구조가, 발명의 다양한 실시예에 따라 구현될 수 있음이 또한 명백하다. 예를 들어, 도 6은 발명의 일 실시예에 따라 하부-게이팅된 전기적 튜닝가능 메타표면의 단면 일부분을 도시한다. 메타표면은, 안테나가 Al2O3 층 및 ITO 층 내에 매립된 점을 제외하곤, 도 5a-5c에 제시된 것과 유사하다. 특히, 메타표면 리플렉트어레이는 아래에 놓인 골드 미러를 특징으로 하며, 그 위에는 ITO층이 배치되고, 그 위에는 알루미늄 옥사이드 - Al2O3 - 유전층이 배치된다. ITO 층이 Al2O3 층 위에 배치되어, 서브파장 안테나 요소를 덮는다. 도시되는 실시예에서, Al2O3 층의 두께는 10nm, ITO층의 두께는 15nm이며, 골드 서브파장 안테나 요소 두께는 50nm다. 추가적으로, 골드 서브파장 안테나 요소의 평면 치수는 60nm x 90nm 다. 종래의 전위차 인가에 비해 반대 방식으로 전위차가 인가됨을 또한 주목하여야 한다. 물론, 앞서와 같이, 소정의 치수가 언급되지만, 요망되는 전자기적 응답의 실현에 적합한 다양한 안테나 기하구조들 중 임의의 것이 발명의 실시예에 따라 구현될 수 있음은 명백하다. 더 일반적으로, 다양한 계층 구조 중 임의의 것이 구현될 수 있다. Moreover, although specific hierarchical structures are discussed, any suitable structure capable of implementing a metasurface comprising a conductor-dielectric interface that provides a tunable refractive index based on an applied electric field may be implemented in accordance with various embodiments of the invention. It is also clear that For example, FIG. 6 illustrates a cross-sectional portion of a sub-gated electrically tunable metasurface in accordance with one embodiment of the invention. The metasurface is similar to that shown in Figures 5a-5c, except that the antenna is embedded in an Al 2 O 3 layer and an ITO layer. In particular, the metasurface reflectarray features an underlying gold mirror, on which an ITO layer is disposed, on which an aluminum oxide - Al 2 O 3 - dielectric layer is disposed. An ITO layer is disposed over the Al 2 O 3 layer, covering the sub-wavelength antenna element. In the illustrated embodiment, the thickness of the Al 2 O 3 layer is 10 nm, the thickness of the ITO layer is 15 nm, and the gold subwavelength antenna element thickness is 50 nm. Additionally, the planar dimensions of the gold subwavelength antenna element are 60 nm x 90 nm. It should also be noted that the potential difference is applied in the opposite manner compared to the conventional potential difference application. Of course, as before, certain dimensions are referenced, but it will be apparent that any of a variety of antenna geometries suitable for realization of a desired electromagnetic response may be implemented in accordance with embodiments of the invention. More generally, any of a variety of hierarchical structures may be implemented.

이와 같이 설명되는 전기적 튜닝가능 메타표면의 작동 동역학이 이제 아래에서 논의될 것이다. The operating kinetics of the electrically tunable metasurface thus described will now be discussed below.

 근-광학 주파수 전자기파에 응답하도록 구성되는 전기적 튜닝가능 메타표면의 작동  Actuation of an electrically tunable metasurface configured to respond to near-optical frequency electromagnetic waves

상술한 메타표면 튜닝가능성의 동역학은 다음과 같이 이해된다. 설명되는 전기적 튜닝가능 메타표면 간에 전기장이 인가될 때, 전도체-유전체 계면에서의 운반체 농도가 증가할 것으로 판단되며, 누적층을 형성한다. 결과적으로, 이에 따라 복합 유전율 변화가 나타나고, 이는 결국 반사광의 위상 및 진폭 변화에 관련된다. The dynamics of metasurface tunability described above is understood as follows. When an electric field is applied between the described electrically tunable metasurfaces, it is believed that the carrier concentration at the conductor-dielectric interface will increase, forming an accumulation layer. Consequently, a complex permittivity change appears, which in turn is related to the phase and amplitude change of the reflected light.

예를 들어, 도 5a-5c와 관련하여 앞서 설명한 메타표면 리플렉트어레이와 관련하여, 드루드(Drude) 모델을 이용하여 ITO 유전율을 파라미터화하기 위해, ITO의 누적층 내 운반체 농도가 2x1020 cm-3 내지 1x1022cm-3, 사이에서 변할 때, ITO의 활성층의 유전율의 실수부가 대략 0.5 ㎛와 3 ㎛ 사이의 파장 범위에서 0과 교차할 수 있다. 엡실론-니어-제로(ENZ) 조건에 접근할 때, ITO의 누적층 내 상당한 전기장 향상이 관찰되고, 이는 서로 다른 유전율을 가진 2개의 물질의 계면에서 전기적 변위의 계속성을 부여하는 경계 조건으로부터 쉽게 이해될 수 있다. 따라서, 메타표면의 갭 플라즈몬 공진과 ITO의 ENZ 공진의 결합은 위상 및 진폭 변조에 사용될 수 있는 공진 주파수 스플릿으로 나타난다. 이는 메타표면으로부터 반사되는 평면파의 위상 변이 및 반사 계수를 연산함으로써 확인될 수 있다. 벌크 ITO의 운반체 농도가 1 x 1019 cm-3 이고 전압이 턴-온될 때 ITO의 누적층에서 1x1021 cm-3 라고 가정할 경우, 공진 주파수 스플릿이 관측될 수 있다. 도 7a는 전압이 오프일 때, 메타표면의 자기 공진이, 140nm 내지 220nm의 길이로 구성된 서브파장 안테나 요소들의 경우에, 1000nm로부터 1600nm로 변함을 보여준다. 전압이 턴-온되면, 플라즈모닉 자기 공진은 활성 ITO층의 ENZ 영역과 결합하여, 자기 공진을 2개의 공진으로 분할하게 된다. 도 7b는 이러한 공진 분리를 도시한다. 특히, 유전율의 실수부 ε r 가 -1로부터 1까지 변하는 파장 영역이 강조된다. ENZ 조건이 ITO의 누적층에 접근하는 파장에서, 활성 ITO층 내 전기장의 z-성분 E z 의 개선이 관측될 수 있다. ε r 이 0보다 클 때, ITO의 누적층 내의 E z 는 알루미늄 옥사이드 및 배경 ITO 내 E z 에 평행하다. ε r 이 누적층 내에서 0보다 작을 때, z-성분은 주변 매질의 E z 에 반평행하게 된다. 도 7c는 ITO의 활성 영역 내 전하 운반체 농도가 1 x 1019 cm-3 로부터 1x1021 cm-3 까지 변할 때 나타나는 위상 변이를 도시한다. 특히, 어두운 영역(702)은 -180도 위상 변이와 겹쳐지는 180도 위상 변이에 대응하며, 화살표(704)는 위상변이의 양의 변화를 표시한다. 예를 들어, 화살표(704)의 하부로부터 시작하여 화살표 방향으로 이동할 때, 위상 변화는 0도로부터, 어두운 영역(702)에 도달하는 지점에서 180도까지이고, 이는 -180도 위상 변이와 등가이다. 어두운 영역(702)으로부터 상향 화살표(704) 방향으로 계속할 때, 위상 변이는 -180도로부터 0도까지다. For example, with respect to the metasurface reflectarray described above with reference to Figs. 5a-5c, to parameterize the ITO permittivity using the Drude model, the carrier concentration in the cumulative layer of ITO was 2x10 20 cm When varying between -3 and 1x10 22 cm -3 , the real part of the permittivity of the active layer of ITO may cross over to zero in the wavelength range between approximately 0.5 μm and 3 μm. When approaching the epsilon-near-zero (ENZ) condition, a significant electric field enhancement in the cumulative layer of ITO is observed, which is easily understood from the boundary condition giving continuity of electrical displacement at the interface of two materials with different permittivity. can be Thus, the coupling of the gap plasmon resonance of the metasurface and the ENZ resonance of ITO results in a resonant frequency split that can be used for phase and amplitude modulation. This can be confirmed by calculating the phase shift and reflection coefficient of the plane wave reflected from the metasurface. Assuming that the carrier concentration of bulk ITO is 1×10 19 cm −3 and 1×10 21 cm −3 in the accumulation layer of ITO when the voltage is turned on, a resonant frequency split can be observed. Figure 7a shows that when the voltage is off, the magnetic resonance of the metasurface changes from 1000 nm to 1600 nm for subwavelength antenna elements configured in length from 140 nm to 220 nm. When the voltage is turned on, the plasmonic magnetic resonance couples with the ENZ region of the active ITO layer, splitting the magnetic resonance into two resonances. Figure 7b shows this resonant separation. In particular, the wavelength region where the real part ε r of the permittivity varies from -1 to 1 is emphasized. At wavelengths at which ENZ conditions approach the cumulative layer of ITO, an improvement in the z-component E z of the electric field in the active ITO layer can be observed. When ε r is greater than zero, E z in the cumulative layer of ITO is parallel to E z in the aluminum oxide and background ITO. When ε r is less than zero in the accumulation layer, the z-component becomes antiparallel to the E z of the surrounding medium. FIG. 7c shows the phase shift that occurs when the charge carrier concentration in the active region of ITO changes from 1×10 19 cm −3 to 1×10 21 cm −3 . In particular, the dark region 702 corresponds to a 180 degree phase shift that overlaps with a -180 degree phase shift, and arrow 704 indicates a change in the amount of the phase shift. For example, starting from the bottom of arrow 704 and moving in the direction of the arrow, the phase shift is from 0 degrees to 180 degrees at the point where it reaches the dark region 702 , which is equivalent to a -180 degree phase shift . Continuing in the direction of the upward arrow 704 from the dark region 702, the phase shift is from -180 degrees to 0 degrees.

도 8a-8b는 반사율 및 위상 변이가 파장 및 전하 운반체 농도의 함수로 어떻게 변화하는지를 보여준다. 특히, 도 8a는 운반체 농도 및 파장의 함수로 반사율을 도시한다. 특히, 도 8b는 운반체 농도 및 파장의 함수로 위상변이를 도시한다. 앞서와 마찬가지로, 어두운 영역(802)은 -180도 위상 변이와 겹쳐지는 180도 위상 변이에 대응하며, 화살표(804)는 위상변이의 양의 변화를 표시한다. 예를 들어, 화살표(804)의 하부로부터 시작하여 화살표 방향으로 이동할 때, 위상 변화는 0도로부터, 어두운 영역(702)에 도달하는 지점에서 180도까지이고, 이는 -180도 위상 변이와 등가이다. 어두운 영역(802)으로부터 상향 화살표(804) 방향으로 계속할 때, 위상 변이는 -180도로부터 0도까지다. 8A-8B show how reflectance and phase shift change as a function of wavelength and charge carrier concentration. In particular, FIG. 8a plots reflectance as a function of carrier concentration and wavelength. In particular, Figure 8b plots the phase shift as a function of carrier concentration and wavelength. As before, dark region 802 corresponds to a 180 degree phase shift that overlaps with a -180 degree phase shift, and arrow 804 indicates the change in the amount of phase shift. For example, starting from the bottom of arrow 804 and moving in the direction of the arrow, the phase shift is from 0 degrees to 180 degrees at the point where it reaches the dark region 702, which is equivalent to a -180 degree phase shift . Continuing in the direction of the upward arrow 804 from the dark region 802 , the phase shift is from -180 degrees to 0 degrees.

도 9a 및 9b는 도 5a-5c에 도시되는 메타표면의 경우, 반사 효율 및 위상이 운반체 농도의 함수로 어떻게 변이될 수 있는지를 보여준다. 특히, 도 9a는 ITO층의 활성 영역 내 운반체 농도의 함수로 반사 효율을 도시한다. 일반적으로, 반사 효율은 전하 운반체 농도에 비교적 무관하다. 도 9b는 운반체 농도의 함수로 위상 변이를 도시한다. 알다시피, 운반체 농도 수정은 임의의 요망되는 위상 변이를 실질적으로 구현하는데 사용될 수 있다. 소정의 데이터가 소정의 파라미터에 대해 제시되었으나, 발명의 실시예는 데이터에서 제시된 것에 대응하는 특성을 가진 메타표면만으로 제한되지 않는다. 데이터는 발명의 실시예에 따라 다양한 전기적 튜닝가능 메타표면에 대해 마찬가지로 획득될 수 있다. Figures 9a and 9b show how the reflection efficiency and phase can be varied as a function of carrier concentration for the metasurface shown in Figures 5a-5c. In particular, FIG. 9a shows the reflection efficiency as a function of carrier concentration in the active region of the ITO layer. In general, the reflection efficiency is relatively independent of the charge carrier concentration. 9B plots the phase shift as a function of carrier concentration. As will be appreciated, carrier concentration modifications can be used to substantially implement any desired phase shift. Although certain data are presented for certain parameters, embodiments of the invention are not limited to metasurfaces having properties corresponding to those presented in the data. Data may likewise be obtained for various electrically tunable metasurfaces in accordance with embodiments of the invention.

현재의 이해에 따르면, 이러한 동역학에 기초하여, 설명되는 전기적 튜닝가능 메타표면의 작동이 이루어진다. 그러나, 앞서 시사한 바와 같이, 발명의 실시예는 설명되는 동역학의 실제 발생에 제한되지 않는다. 응용 범위는 그 작동의 실제 동역학과 무관하게, 설명되는 구조를 포괄한다. According to the present understanding, based on these dynamics, the operation of the described electrically tunable metasurface is made. However, as previously suggested, embodiments of the invention are not limited to the actual occurrence of the kinetics described. The scope of application encompasses the structure being described, irrespective of the actual dynamics of its operation.

대략 approximately 10㎛10㎛ 미만의 파장을 가진 전자기파의 전파를 제어하도록 구성되는 전기적 튜닝가능 메타표면 제조  Fabrication of an electrically tunable metasurface configured to control the propagation of electromagnetic waves having a wavelength of less than

위에서 설명된 전기적 튜닝가능 메타표면은 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 많은 경우에, 표준 e-빔 리소그래피 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 5a-5c에 도시된 메타표면은 다음의 과정을 이용하여 제조될 수 있다: 3nm 두께의 Ni 필름이 쿼츠 글라스 기판 상에 열증착에 의해 접착층으로 증착될 수 있고, 그 후 열증착을 이용하여 130nm 두께의 골드 미러를 증착할 수 있으며, 스퍼터링 기술을 이용하여 16nm 두께의 ITO층이 증착될 수 있고, 원자층 증착에 의해 5nm 두께의 Al2O3층이 성장할 수 있으며, 그 후, 260nm의 PMMA 이중층(PMMA-495K 및 PMMA-950K)을 이용하여, 서브파장 안테나 어레이의 증착을 준비하도록 옥사이드 표면을 코팅하고, 25 ㎛ x 25 ㎛ 면적을 가진 물고기뼈 구조, 골드 연결부, 및 골드 패드가 100pA 전류(구조물용) 및 50pA 전류(연결부 및 패드용)로 100keV의 가속 전압으로 e-빔 리소그래피 시스템(Leica Vistec EBPG 5000+)을 이용하여 패턴처리될 수 있으며, 노광 및 현상 후, 50nm Au 필름이 e-빔 증착에 의해 증착될 수 있고, 그 후 레지스트가 제거될 수 있다. 물론, 하나의 제작 기술이 설명되었으나, 위 설명된 구조를 구현하기 위한 임의의 적절한 제조 기술이 발명의 실시예에 따라 구현될 수 있고, 이들이 다양한 조성 및 다양한 기하구조를 가진 전기적 튜닝가능 메타표면을 제조하는데 사용될 수 있다. 설명된 전기적 튜닝가능 메타표면은 구체적으로 설명된 기술을 이용하여서만 제조될 수 있다고 오해해서는 안된다. The electrically tunable metasurface described above can be fabricated in a variety of ways. For example, in many cases standard e-beam lithography techniques may be used. For example, the metasurface shown in FIGS. 5A-5C can be fabricated using the following process: A 3 nm thick Ni film can be deposited as an adhesive layer by thermal evaporation on a quartz glass substrate, and then heat A gold mirror with a thickness of 130 nm can be deposited using vapor deposition, an ITO layer with a thickness of 16 nm can be deposited using sputtering technology, an Al 2 O 3 layer with a thickness of 5 nm can be grown by atomic layer deposition, and the Then, using a 260 nm PMMA bilayer (PMMA-495K and PMMA-950K), the oxide surface was coated to prepare the deposition of a subwavelength antenna array, and a fishbone structure with an area of 25 μm x 25 μm, a gold connection, and Gold pads can be patterned using an e-beam lithography system (Leica Vistec EBPG 5000+) with 100 pA current (for structures) and 50 pA current (for connections and pads) with an acceleration voltage of 100 keV, after exposure and development, A 50 nm Au film can be deposited by e-beam deposition, after which the resist can be removed. Of course, while one fabrication technique has been described, any suitable fabrication technique for implementing the structures described above may be implemented in accordance with embodiments of the invention, and they may produce electrically tunable metasurfaces with varying compositions and varying geometries. can be used to manufacture. It should not be misunderstood that the described electrically tunable metasurface can only be fabricated using the specifically described techniques.

위 논의로부터 추측컨데, 위 언급된 개념은 발명의 실시예에 따른 다양한 배열에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 서브파장 안테나 요소 기하구조들 중 임의의 기하구조가 채택될 수 있고, 다양한 물질 중 임의의 물질이 사용될 수 있다. 기하구조 및 물질 선택은 실현된 메타표면을 위한 요망되는 전자기적 특성 응답에 기초할 수 있다. 따라서, 본 발명의 소정의 구체적 형태로 설명되었으나, 많은 추가적인 변형예 및 변화가 당 업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 제한적인 측면이 아니라 예시적인 측면으로 간주되어야 한다.It is conjectured from the above discussion that the concepts mentioned above may be implemented in various arrangements according to embodiments of the invention. For example, any of a variety of subwavelength antenna element geometries may be employed, and any of a variety of materials may be used. Geometry and material selection can be based on the desired electromagnetic property response for the realized metasurface. Thus, while the invention has been described in certain specific forms, many additional modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the present invention may be practiced otherwise than as specifically described. Accordingly, the embodiments of the present invention are to be regarded as illustrative rather than restrictive aspects.

Claims (21)

전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이에 있어서, 
미러링된 표면과, 
전도층과, 
유전층 - 상기 전도층 및 유전층은 직접 접촉하여, 전도체-유전체 계면을 형성함 - 과,
복수의 서브파장 안테나 요소와,
적어도 하나의 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간에 전위차를 구축하도록 구성되는 전력원을 포함하되, 
서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간의 전위차는 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 대응 영역에 전기장을 인가하고, 
복수의 서브파장 안테나 요소의 각각은 회로부를 이용하여 서브파장 안테나 요소와 상기 미러링된 표면 간의 상기 전위차에 의해 독립적으로 어드레싱가능하며,
유전층, 전도층, 및 서브파장 안테나 요소들 각각의 기하구조 및 물질 조성과 연계하여 가해지는 전기장에 의해, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이가, 입사 전자기파의 전파 특성을 측정가능하게 증강시키는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.  
An electrically tunable metasurface reflector array comprising:
mirrored surface,
conductive layer,
a dielectric layer, wherein the conductive layer and the dielectric layer are in direct contact to form a conductor-dielectric interface;
a plurality of sub-wavelength antenna elements;
a power source configured to establish a potential difference between at least one subwavelength antenna element and the mirrored surface;
the potential difference between the subwavelength antenna element and the mirrored surface applies an electric field to a corresponding area of the electrically tunable metasurface reflectarray;
each of the plurality of sub-wavelength antenna elements is independently addressable by the potential difference between the sub-wavelength antenna element and the mirrored surface using circuitry;
The electrically tunable metasurface reflectarray causes the electrically tunable metasurface reflectorarray to measurably enhance the propagation properties of the incident electromagnetic wave by an electric field applied in connection with the geometry and material composition of each of the dielectric layer, the conductive layer, and the subwavelength antenna elements. Tunable metasurface reflectarray.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
유전층, 전도층, 및 서브파장 안테나 요소들 각각의 기하구조 및 물질 조성과 연계하여 가해지는 전기장에 의해, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이가, 10 ㎛ 미만 파장을 특징으로 하는 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 포함되는 입사 전자기파의 전파 특성을 측정가능하게 증강시키는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이. 
The method of claim 1,
An electric field applied in connection with the geometry and material composition of each of the dielectric layer, the conductive layer, and the subwavelength antenna elements causes the electrically tunable metasurface reflectarray to form at least a portion of the electromagnetic spectrum characterized by wavelengths less than 10 μm. An electrically tunable metasurface reflectarray for measurably enhancing the propagation properties of an incident electromagnetic wave contained therein.
제 4 항에 있어서,
상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 근적외선 전자기파의 파장과 대응하는 파장보다 짧거나 같은 파장을 가진 전자기파를 특징으로 하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
wherein at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength shorter than or equal to a wavelength corresponding to a wavelength of the near-infrared electromagnetic wave.
제 5 항에 있어서,
전기적 튜닝가능 메타표면의 일 영역이 전기장에 노출될 때, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 포함되는, 반사된 입사 전자기파가, 인가된 전기장의 크기에 기초하여 위상 변이를 나타내는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
6. The method of claim 5,
An electrically tunable metasurface ripple, wherein when a region of an electrically tunable metasurface is exposed to an electric field, an incident reflected electromagnetic wave comprised within at least a portion of the electromagnetic spectrum exhibits a phase shift based on the magnitude of the applied electric field. Rect Array.
제 5 항에 있어서,
상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 근적외선 전자기파의 파장과 대응하는 파장을 가진 전자기파를 특징으로 하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
6. The method of claim 5,
wherein at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by an electromagnetic wave having a wavelength corresponding to a wavelength of the near-infrared electromagnetic wave.
제 5 항에 있어서,
상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 가시광의 파장과 대응하는 파장보다 짧거나 같은 파장을 가진 전자기파를 특징으로 하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
6. The method of claim 5,
wherein at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength shorter than or equal to a wavelength corresponding to a wavelength of visible light.
제 8 항에 있어서,
상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분은 가시광의 파장과 대응하는 파장을 가진 전자기파를 특징으로 하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
9. The method of claim 8,
wherein at least a portion of the electromagnetic spectrum is characterized by electromagnetic waves having a wavelength corresponding to a wavelength of visible light.
제 4 항에 있어서,
상기 전도층은 나이트라이드-계 물질, 은, 구리, 골드, 알루미늄, 알칼리 금속, 합금, 투명 전도 합금, 및 그래핀 중 하나를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이. 
5. The method of claim 4,
wherein the conductive layer comprises one of a nitride-based material, silver, copper, gold, aluminum, an alkali metal, an alloy, a transparent conductive alloy, and graphene.
제 4 항에 있어서,
상기 전도층은 인듐 틴 옥사이드를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
wherein the conductive layer comprises indium tin oxide.
제 11 항에 있어서,
상기 유전층은 유전체 옥사이드(dielectric oxide)를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
12. The method of claim 11,
wherein the dielectric layer comprises a dielectric oxide.
제 12 항에 있어서,
상기 유전층은 알루미늄 옥사이드를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
13. The method of claim 12,
wherein the dielectric layer comprises aluminum oxide.
제 13 항에 있어서, 
상기 미러링된 표면은 골드를 포함하고, 
상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 골드를 포함하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이. 
14. The method of claim 13,
the mirrored surface comprises gold;
and at least one of the plurality of subwavelength antenna elements comprises gold.
제 14 항에 있어서,
전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이의 일 영역이 전기장에 노출될 때, 상기 영역 내의 전도체-유전체 계면에서의 전하 운반체 농도가 인가되는 전기장 크기에 기초하여 변경되고, 상기 변경에 의해 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 있는, 반사된 입사 전자기파의 위상 변이가 나타나는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
15. The method of claim 14,
When a region of an electrically tunable metasurface reflectorarray is exposed to an electric field, the charge carrier concentration at the conductor-dielectric interface within the region is altered based on the magnitude of the applied electric field, whereby the alteration results in at least a portion of the electromagnetic spectrum An electrically tunable metasurface reflectarray in which a phase shift of a reflected incident electromagnetic wave appears within a portion.
제 15 항에 있어서,
1x1019cm-3 로부터 1x1021cm-3 까지 전하 운반체 농도 변화가, 상기 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분 내에 있는, 반사된 입사 전자기파의 위상을 적어도 2π만큼 변이시키기에 충분한, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
16. The method of claim 15,
an electrically tunable metasurface reflectarray, wherein a change in charge carrier concentration from 1x10 19 cm -3 to 1x10 21 cm -3 is sufficient to shift the phase of an incident reflected electromagnetic wave that is within at least a portion of the electromagnetic spectrum by at least 2π. .
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 봉-형상 기하구조에 순응하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
and at least one of the plurality of subwavelength antenna elements conforms to a rod-shaped geometry.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 V-형상 기하구조에 순응하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
wherein at least one of the plurality of subwavelength antenna elements conforms to a V-shaped geometry.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 하나가 스플릿 링(split ring) 기하구조에 순응하는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
and at least one of the plurality of subwavelength antenna elements conforms to a split ring geometry.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 서브파장 안테나 요소들 중 적어도 2개는 상기 전력원에 연결된 동일 전도 요소에 연결되는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
5. The method of claim 4,
wherein at least two of the plurality of subwavelength antenna elements are coupled to a same conducting element coupled to the power source.
제 20 항에 있어서,
서브파장 안테나 요소들의 로우(rows)가, 전력원에 연결된 각자의 전도성 요소에 연결되는, 전기적 튜닝가능 메타표면 리플렉트어레이.
21. The method of claim 20,
An electrically tunable metasurface reflectarray, wherein rows of subwavelength antenna elements are coupled to respective conductive elements coupled to a power source.
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